影响烟煤显微组分热解与低品位铁矿石直接还原耦合效应下限速步骤的因素研究

The yield increasing, energy saving and emission reduction are always the focus and difficulty in the direct reduction process of iron ore. From the perspective of the basic chemical reaction, this work studied the factors which affected the rate-limiting step under the coupling effect of bituminous coal pyrolysis and direct reduction of low grade iron ore. On the basis of artificially decoupling in the coupling process, the kinetic parameters of the basic chemical reactions involved in the reduction reaction were calculated and compared to determine the rate-limiting step in the reduction reaction. The gasification reaction of carbon in the mesoporous alumina and iron ore, the effect of carbon deposition under CO atmosphere on the metallization of iron ore were investigated by using the thermogravimetry mass spectrometry analyzer (TG-MS), obtaining the phase composition, the distribution of gas products and the different types of pore carbon deposits to determine the influence of pore structure and diffusion rate on the rate-limiting step. The relationship between the boudouard reaction rate and metallization was studied by analyzing the effect of adsorbed Fe2O3 on the boudouard reaction and the gasification of carbon deposition in the iron ore. Through the above experiments, it can be proved that the research content is the hypothesis that the factors affecting the rate-limiting step in the direct reduction of iron ore. By means of increasing the proportion of reducing atmosphere, directionally changing the structure of iron ore, adjusting diffusion speed and changing the state of reactant, the influence of the factors that reduced the rate-limiting step were optimized to improve the metallization and reduce the proportion of reducing agent.

在铁矿石直接还原过程中，提产节能、降耗减排一直是研究热点和难点。本项目从基础化学反应角度出发，对影响烟煤热解与低品位铁矿石直接还原耦合效应下限速步骤的因素进行研究。在对耦合过程人为解耦基础上，通过对积碳铁矿石还原反应中涉及到的基础化学反应进行动力学参数计算对比，确定还原反应中的限速步骤。采用TG-MS研究积碳介孔氧化铝和积碳铁矿石中碳的气化反应、CO气氛下积碳对铁矿石金属化率影响，获得物相组成、气体产物分布及不同孔隙积碳类型，确定铁矿石孔隙结构、扩散速度对限速步骤的影响；考察吸附态Fe2O3对碳溶损反应与积碳铁矿石中碳气化的反应性影响，分析碳溶损速率与金属化率之间关系。通过上述实验，论证研究内容是影响铁矿石直接还原过程中限速步骤因素的假说。通过增大还原气氛比例、改变铁矿石结构、调节气氛扩散速度、改变反应物所处状态，优化降低限速步骤因素对提高还原反应铁矿石金属化率、降低还原剂使用比例的影响。

尽管生物质资源的充分利用可以促进CO2的减排，而且煤和生物质共热解可利用它们之间的协同作用来克服可再生生物质使用中的缺点，但解决重质焦油轻质化以及热解过程中产生大量的焦油堵塞系统的问题仍然具有挑战性。项目研究了低阶煤与玉米秸秆物理混合的共热解反应特性，通过采用铁矿石作为催化床层，发现热解焦油分解渗透到三种不同结构中铁矿石中，不同结构铁矿石均有利于焦油的提质，铁矿石中的积碳可有效减少铁矿石还原中还原剂的使用。研究表明，针铁矿发生相变后形成0-4nm的纳米孔隙。因此，在三种铁矿石作为床层进行共热解以及焦油分解时，针铁矿更有利于后续的焦油提质和积碳。结合焦油产率和积碳含量，我们发现共热解过程中存在协同效应。最佳条件为共热解温度600℃、添加玉米秸秆比例50%、焦油分解温度650℃。随着焦油分解-积碳温度的升高，整个耦合过程中H2的生成速率始终高于铁矿石还原反应的消耗，而CO则呈现相反的趋势。由于焦油分解和Knudsen扩散效应，焦油分解形成积碳最终沉积到纳米孔隙中，同时发生还原反应。由于焦油在铁矿石表面堵塞孔隙，使得积碳没有完全填充在纳米孔隙中。由于积碳含有更多的含氧官能团，类似于“吸附碳”的活性位点，它可以促进铁矿石还原中还原剂的持续供应，因此积碳铁矿石被认为是在冶金领域非常有前途的储能材料。此外，项目对比分析了铁矿石的还原度、金属化率和动力学特征，确定了在800℃以上的温度条件下，提高还原度对各种波动因素的响应机制，并根据转化效率揭示了还原反应是连续四次进行的。在没有足够CO2的情况下，根据计算出的活化能，确定了碳气化反应为还原反应的限速步骤。